CC BY
19
> <
х
CL
О
Инновационные подходы к созданию биологических комплексов в энергетических структурах
Innovative Approaches in Russia to the Creation of Biological Systems in the Power Structures
УДК 338.43:005
Косолапов
Леонид Александрович
профессор Санкт-Петербургского филиала Московского института бизнеса и политики, доктор экономических наук 199155, Санкт-Петербург, пер. Каховского,
д. 7
Kosolapov Leonid Aleksandrovich
Kakhovskogo Lane 7, St. Petersburg, 199155, Russian Federation
Развитие инновационного сектора экономики, являясь стратегической целью макроэкономической политики, в каждой отрасли имеет свою специфику и подразумевает в сжатые сроки практически полное обновление производственной базы. На сегодняшний день в России инновационный потенциал российской науки все еще остается низким, что отрицательно отражается на темпах модернизации производства. В связи с этим в статье автором предлагаются методические основы формирования и развития инновационного предпринимательства при проектировании и строительстве энергетических комплексов на основе обобщения и анализа имеющихся инновационных решений. В статье рассмотрена инновационная идея использования тепла, выделяемого в окружающую среду тепловыми и атомными электростанциями, для увеличения производства сельскохозяйственной и рыбной продукции в рамках единого энергобиологического комплекса. Перспектива создания крупных энергетических центров делает весьма актуальной проблему, на которую давно уже обращают внимание российские ученые: необходимость создания единых, неразрывно-технологических процессов производства сырья и его переработки в одном месте, с использованием всей биологической массы сырья, а не только его отдельной части.
The article says that Russia has pursued innovative approaches for developing different sectors of its economy, with the strategic goal of establishing a macroeconomic policy for each sector having its own specific dynamics. The scope of this policy, which has been used so far for a short period of time, is expected, eventually, to encompass the complete upgrade of production facilities. The paper adds that currently Russian science has a low innovative potential, which negatively affects the ongoing pace of modernization. For example, it describes the potential reuse of heat generated in the thermal environment of nuclear power plants to raise the production levels of agricultural and fishery products in an energy-biological complex. In parallel, the review offers a methodological basis for forming and developing innovative entrepreneurship in the design and construction of energy systems based on the compilation and analysis of already existing solutions. In conclusion, the document suggests that the focus of major energy centers needs to change. Instead of it being an issue for one raw material production process, it should envelop the wider expanse of all biological materials in Russia.
Ключевые слова: инновационный сектор экономики, топливные ресурсы, загрязнение природной среды, теплоотходы, интенсификация производства
Keywords: innovative sector of the economy, fuel resources, environmental pollution, 'waste' heat, intensification of production
Идея стратегии социально-экономического развития России заключается в признании необходимости в сравнительно сжатые сроки осуществить практически полное обновление существующей производственной базы, расширить ассортимент и качество конкурентоспособной продукции и услуг, а также повысить уровень жизни населения. Она конкретизируется в «Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», предусматривающих формирование национальной инновационной системы.
Формально все общественные институты России признают доминирующую роль науки и новых технологий в повышении уровня экономического развития страны и ее конкурентоспособности на мировых рынках. Однако мы вынуждены констатировать, что инновационный потенциал российской науки остается низким, что отрицательно отражается на темпах модернизации производства. В настоящей статье предлагаются методические основы формирования и развития инновационного предпринимательства при проектировании и строительстве энергетических комплексов на основе обобщения и анализа имеющихся инновационных (технических, технологических, экологических, организационных) решений.
Несмотря на ограниченность запасов топливных ресурсов и быстрый рост их потребления, коэффициент полезного использования топлива во всем мире остается на низком уровне. В целом по промышленности он не превышает 30-32%. Наряду с тепловыми отходами возрастает выброс всех компонентов сжигаемого топлива, загрязняющих природную среду [1]. В то же время на атомных электростанциях (АЭС), где по прогнозам к 2020 г. будет вырабатываться свыше половины электроэнергии, отсутствуют выбросы продуктов традиционного горения. Одновременно количество производимых на АЭС теплоотходов, отводимых с охлаждающей водой, в среднем в 1,7 раза больше, чем на современных тепловых электростанциях (ТЭС) [2]. Тепловое загрязнение окружающей среды неиспользованной полезной частью топлива — новый нежелательный фактор развивающейся индустрии.
Потребность в научной проработке данного вопроса в значительной степени обусловлена объективной необходимостью, так как потенциальными потребителями вырабатываемого на АЭС такого тепла могут стать некоторые виды сельскохозяйственных и биологических производств. На его основе может производиться большое количество полезной продук-
ции, прежде всего пищевой. В этом случае тепловые отходы АЭС, ТЭС и других энергообъектов должны рассматриваться не как неизбежные потери, а как потенциальный энергоресурс, который мы еще не научились использовать должным образом.
В наших предыдущих работах описывалась принципиальная схема энергобиологического теплоутили-зирующего безотходного комплекса при ТЭС (АЭС). Его основой является энергосберегающая технология, когда все технологические процессы увязаны не только с работой ТЭС (АЭС), но и между собой, благодаря чему достигается полная безотходность и интенсификация производства продукции [3; 4]. Рассмотрим более подробно составные элементы этого комплекса и потенциальные возможности их использования.
1. Тепличное хозяйство. Современное тепличное производство уже сейчас позволяет увеличить продуктивность обрабатываемых участков в десятки, а при особо интенсивных способах выращивания культур — в сотни раз. Чтобы удовлетворить потребность населения нашей страны только в ранних овощах, не говоря уже о десятках видах другой тепличной продукции, необходимо около 30 тыс. га теплиц. Но чтобы обогреть эту площадь, придется ежегодно сжигать около 50 млрд м3 природного газа. Следовательно, даже эта весьма скромная, обязательная по медицинским нормам программа, при самостоятельном развитии отрасли тепличного производства, практически неосуществима в силу его исключительной теплоемкости.
Чтобы получить в теплицах необходимую температуру (+6 °С при смене культур, +12-14 °С при выращивании цветов и зеленых культур, +20-21 °С при культивировании томатов и огурцов), в качестве теплоносителя используется вода с температурой около +90°С, а в качестве основной системы обогрева — трубопроводная. Затраты на сооружение последней (примерно 40 км металлических труб на 1 га теплиц) вместе с котельной достигают 40% строительных затрат на создание тепличных комбинатов, в то время как расходы на обогрев составляют 50% себестоимости тепличной продукции. Таким образом, если огромная потребность в топливе предопределяет дефицит тепличной продукции, то применяемая сложная материалоемкая система обогрева предопределяет ее дороговизну. Все это заставляет, не отказываясь от строительства и эксплуатации традиционных, отработанных конструкций теплиц, осуществлять настойчивый поиск принципиально новых, теплоутилизи-рующих теплиц. К тому же его стимулируют постоянно растущие цены на топливо и увеличивающаяся его дефицитность.
Весьма интересными представляются нам расчеты американских ученых, в которых оценивается конкурентоспособность теплиц различного типа в зависимости от роста цен на топливо и температуры тепловых отходов. Так, при стоимости топлива 1,40 долл./106 БТЕ и температуре сбросной воды +21,1 °С наиболее предпочтительной для всех районов является обычная система обогрева теплиц. По мере роста цен на топливо предпочтительность использования сбросного тепла увеличивается сначала для районов с мягким климатом, а при температуре сбросной воды +26,7 °С и цене топлива 2,00 долл./106 БТЕ использование сбросного тепла становится экономически выгодным для всех регионов.
В соответствии с расчетами, если бы нашей стране удалось использовать в тепличном производстве в течение года только 1/10 часть теплоотходов энергетики, практически все население было бы обеспе-
чено свежими овощами. Известно, что утилизация ^ всех отходов промышленности потенциально позво- щ ляет обогреть 300 тыс. га теплиц. Но для решения | проблемы использования низкопотенциального от- ^ ходящего тепла АЭС, ТЭС и других энергообъектов □= следует перейти от традиционных способов обогрева 5 теплиц к новым способам, применить принципиально х новые технологические и компоновочные решения, х которые устраивали бы и тепличное производство, 5 и энергетику. т
Тепличные блоки, в которых для обогрева и произ- £ водства продукции используется низкопотенциальная > вода агрегатов электростанций, возвращают ее об- 2 ратно в охлаждающую систему. Таким образом, они ¡Е представляют собой новый тип теплиц, органично < включенный в единый энергобиологический ком- 1= плекс (ЭБК). Размеры тепличного сектора ЭБК могут х (и должны быть) достаточно большими, чтобы оказы- х вать ощутимое положительное влияние на процесс о охлаждения циркуляционной воды на электростанци- н ях, играя заметную роль в защите окружающей среды и поддержании ее экологического равновесия.
Предварительные научно-технические и проектно-экспериментальные проработки выявили перспективность создания четырех видов новых теплиц, в которых для их обогрева применяются различные способы использования низкопотенциальной воды. Имеются в виду высотная теплица, каскадная теплица-градирня с вариантными решениями (водонаполненные панели светопрозрачных ограждений), стандартная блочная теплица без трубопроводной системы обогрева, но с усиленной системой подпочвенного и надпочвенного обогрева (трубы в грунте и пропуск воды над грунтом в теплице) и шампиньонница. Рассмотрим их характеристики более подробно.
Высотная теплица. Принцип укрупнения тепличных хозяйств неизбежно ведет к созданию тепличных комбинатов площадью в 100 га и более. При этом из активного оборота изымаются огромные земельные территории. Ценность земли непрерывно растет, и вполне возможно, что даже в относительно обозримом будущем наиболее распространенные сегодня грунтовые теплицы (блочные, ангарные и др.) окажутся недостаточно рентабельными. Поэтому во всем мире интенсивно разрабатываются идеи «роста теплиц вверх» с тем, чтобы сократить занимаемую ими площадь земли. Уже сегодня высотные теплицы при малой площади своего размещения имеют, как правило, в 100-200 раз большую, по сравнению с обычными, посадочную площадь. В будущем это соотношение еще более увеличится.
Длительное время идеи высотного теплицестрое-ния и технологические схемы высотного размещения посадочной площади существовали в качестве поисковых предложений, поскольку были нерентабельны из-за высоких капитальных затрат на строительство. Однако появление совершенного оборудования для высотных зданий и сооружений означало создание реальных условий для проработки и сооружения высотных вариантов теплиц. Такие высотные теплицы уже построены в Латвии, Армении и России (например, в Саратове).
Для электростанций высотные теплицы могут рассматриваться как варианты сухих градирен. Оптимальным вариантом для электростанций является сочетание сухих градирен, которые возьмут на себя отвод части тепла в зимнее время, с мокрыми градирнями или водоемами-охладителями, которые будут отводить большую часть тепла в теплое время года. Однако
сооружение сухих градирен ведет к увеличению издержек на производство электроэнергии по сравнению с прудами-охладителями на 25% (мокрые градирни — на 5%) и снижению КПД электростанции на 6-8% (мокрые градирни, соответственно, — на 1%). Высотные теплицы, ничуть не снижая эффективности работы сухих градирен и являясь как бы их насадками, способны, на наш взгляд, за счет выхода большого количества тепличной продукции компенсировать расходы на их сооружение и эксплуатацию и сделать их работу рентабельной.
Каскадная теплица-градирня. Создание проектов каскадных теплиц-градирен является результатом усилий ученых нашей страны, направленных на конструирование теплиц, пригодных для использования низкопотенциальных вод электростанций путем пропуска их по кровле. К этой же категории относятся теплицы с водонаполненными панелями. В настоящее время такие теплицы построены в Испании, Италии и Франции. Отсутствие открытых водных поверхностей (следовательно, испарения и уноса воды) позволяет использовать очищенную воду постоянного состава по замкнутому циклу. Необходимо упомянуть, что Б. Я. Карпенко обнаружил очень интересный и важный для тепличной агротехники эффект просветления во-донаполненных светопрозрачных панелей с помощью слоя воды, позволяющий использовать их для покрытия теплиц и их бокового ограждения. Доказано, что при использовании таких панелей в теплицах устанавливается инерционная устойчивость и уменьшаются потери тепла самой теплицей за счет его инфильтрации.
Стандартные теплицы. Было бы весьма заманчиво использовать уже отработанные конструкции теплиц для обогрева их с помощью теплой воды относительно невысокого потенциала, хотя бы в южных районах. Такие работы ведутся во Франции и других странах. В США были проведены исследования с теплицей, в которой обогревалась только почва без обогрева воздуха. Результаты показали, что имеются экономические возможности (незначительные затраты на обогрев) использования такой системы для производства овощей.
Однако необходимо провести фундаментальные и прикладные исследования в этой области с целью накопления знаний и опыта. В данном случае требуются и теоретические исследования в области тепломассообмена, и практические работы по созданию и подбору прочных светотехнических материалов, не пропускающих тепловую часть солнечного спектра, способных выдержать снеговые нагрузки.
Шампиньонница. Одним из наиболее перспективных направлений является развитие грибоводства в составе ЭБК на базе сбросного тепла, прежде всего потому, что для произрастания грибов необходимо поддержание умеренных температур. Если проращивание мицелия происходит при температуре +22-25 °С, то развитие плодовых тел во весь период плодоношения — при температурах до +14-16 °С.
Некоторые страны специализируются на отработке технологии выращивания определенных грибов. Так, в Германии отработана технология выращивания строфарии. Этот гриб легче, чем шампиньон, переносит колебания температуры, меньше подвержен заболеваниям и менее требователен к среде. В Польше разрабатывается технология выращивания белого гриба, в Канаде — моховика, во Франции — сыроежек, маслят и трюфелей, в Бельгии — лисичек и некоторых трубчатых грибов, в Венгрии — вешенок. Бесспорно, что опыты по увеличению ассортимента выращивае-
мых грибов и совершенствованию технологии их выращивания в ЭБК при АЭС и других энергообъектах должны широко проводиться и в нашей стране.
2. Участки открытого грунта, орошаемые и обогреваемые теплыми водами. Применение теплооб-менных вод АЭС и ТЭС для орошения и обогрева почвы позволяет регулировать тепловые характеристики почвы, продлевая за счет обогрева периоды вегетации различных культур, и успешно бороться с заморозками на почве. Одновременно с дополнительной продукцией забор теплообменных вод на орошение позволит улучшить термический и гидрохимический режим водоемов — охладителей электростанций.
Для орошения теплообменными водами АЭС и ТЭС могут быть приспособлены обычные ирригационные системы поверхностного и подпочвенного полива. За счет регулирования тепловых свойств почвы и приземного слоя воздуха в полевых условиях достигается прибавка урожая на 7-20% и более для различных культур по сравнению с обычным орошением. Помимо того что забор теплообменных вод сам по себе снимает часть тепловой нагрузки с охлаждающих систем электростанций в самое напряженное время их эксплуатации (теплое и жаркое время года), возможно строительство оросительно-охладительных систем, обеспечивающих, одновременно с поливом и обогревом почвы, охлаждение оборотной воды и сброс ее в водоем-охладитель. Анализ климатических и мелиоративных условий в зонах различных ТЭС и АЭС указывает на наибольшую эффективность использования теплообменных вод электростанций для орошения в зоне периодической засушливости и острозасушливой зоне.
3. Тепловодное рыбоводство. Рыбохозяйственное использование теплых вод — наиболее разработанное к настоящему времени как в России, так и за рубежом направление утилизации сбросного тепла энергетических объектов, хотя и здесь еще имеется много нерешенных и неясных вопросов.
Исследования в области рыбохозяйственного использования теплых вод были начаты в России в 1960 г. Использование для мелиорации водоемов-охладителей ТЭС таких растительноядных рыб, как белый амур и толстолобик, позволило не только эффективно удалять водную растительность, но и одновременно получать рыбную продукцию в объеме до 600 кг/га. Работы по выращиванию рыбы в садках показали, что с 1 м2 садковой площади можно получать до 200 кг товарного карпа. Все эти годы для повышения экономической эффективности индустриальных хозяйств на теплых водах разрабатывалась биотехника содержания более ценных, деликатесных рыб — форели, осетровых и др. В настоящее время основные элементы биотехники этих объектов используются в промышленных масштабах.
Успешное проведение рыбоводно-биологических и физиологических исследований обеспечило возможность получать в настоящее время не только товарную рыбу, но и полноценных производителей, а также жизнестойкую молодь. По мнению российских специалистов, использование теплых вод наиболее эффективно именно для воспроизводства рыб («узкое» место в рыбоводстве). В этом случае затраты на капитальное строительство и на корма для рыб значительно ниже, чем для товарных хозяйств, в результате чего выращивание молоди становится весьма эффективным.
При выращивании в теплых зонах резко сокращается срок созревания ценных промысловых сортов рыб и других водных организмов (в основном в 2-3 раза по
сравнению с естественными условиями). Становится возможным получать черную икру у осетровых в возрасте не 12-18 лет, а 4-8 лет. В оптимальных условиях карп достигает веса в 3 кг за 3 месяца, омары — веса в 450 г за 3 года вместо 6-7 лет (США), устрицы достигают обычных годовалых размеров за 6-12 недель (США). В России разработаны такие условия содержания карпа, при которых одна и та же самка может давать потомство с интервалом в 3 месяца, что позволяет перейти на круглогодичную, конвейерную, систему воспроизводства со всеми вытекающими из этого экономическими преимуществами.
Успехи в рыбохозяйственном использовании теплых вод и увеличение масштабов производства рыбы позволили поставить вопрос о переходе на взаимоувязанную технологию производства электроэнергии и продуктов питания. В этом случае электростанция будет поставлять рыбоводному хозяйству на протяжении всего года воду с температурой, наиболее благоприятной для роста рыб без применения систем дополнительного нагревания и охлаждения. Технология современной электростанции позволяет получать воду с различной температурой и изолированными потоками направлять ее на рыбоводное хозяйство.
4. Микробиологическое производство. Исключительно перспективным представляется поиск технологических схем, позволяющих утилизировать как отходящее тепло, так и отходы сельскохозяйственного производства (растениеводства и животноводства) в микробиологическом производстве. Все бактерии и грибы, используемые в качестве продуцентов в микробиологической промышленности, по их требованию к температурным режимам можно распределить на три группы. Для основной, самой многочисленной в видовом составе группы оптимальной температурой для развития является перепад между +20-30 °С, и для двух остальных, меньших групп, соответственно + 10-20 °С и от +30 °С до +60-80 °С.
Скорость биосинтеза белка у одноклеточных примерно в 10 000 раз выше, чем у высших организмов (у дрожжей, водорослей, бактерий удвоение биомассы происходит всего за 1-6 часов). При этом, например, в 1 кг кормовых дрожжей содержится почти в 10 раз больше лизина, чем в овсе и ячмене (до 35-42 г), в 1,5 раза больше метеонина и в 2-3 раза больше триптофана. Поэтому в бродильном чане емкостью 40 м3 за год можно получить столько же белка, сколько его дает ячмень на площади 500 га при урожае 26 ц/га.
Учитывая эти моменты, на экспериментальном ЭБК необходимо, с учетом имеющегося опыта, накопленного как в нашей стране, так и за рубежом, построить экспериментальную биогазовую установку с одновременным производством высокопротеиновых кормовых добавок. Высокая экономичность установки будет достигнута не только за счет отсутствия затрат на транспортные перевозки субстрата и оптимизации ее работы с помощью теплой воды АЭС, но и благодаря полному использованию на месте всех производимых компонентов: метана (на реализацию) или в самом микробиологическом производстве высокопротеиновых кормовых добавок — на корм рыбе, углекислого газа — в теплицах комплекса, органического остатка — шлама в качестве субстрата в шампиньонницах и в теплицах.
Необходимо проработать и другие варианты микробиологического производства. Большой интерес в этом отношении представляет совместная работа ученых МГУ им. М. В. Ломоносова и ИАЭ им. И. В. Курчатова, в которой определены программа научно-технических
исследований и создания опытного устройства, по- ^ лучившего название «Биосоляр». Оно предназначено ш для выращивания микроводорослей с целью получе- | ния из них метана, а также повышения их возможной ^ концентрации с помощью ряда химических элементов □= и радиоизотопов. 5
5. Холодильное хозяйство. ЭБК не может нор- х мально функционировать без достаточного количества х хранилищ с регулируемыми параметрами температу- 5 ры. Наиболее эффективной в данном случае является т выработка холода не традиционным компрессион- £ ным способом, основанным на электропотреблении, > а так называемым абсорбционным, на основе тепло- 2 потребления и с использованием тепловых насосов. ¡Е Особенно перспективны в данном случае бромисто- < и хлористо-литиевые абсорбционные машины. Они 1= в 4 раза дешевле компрессионных, требуют мини- х мального количества металла при их изготовлении, х а численность обслуживающего их персонала ми- о нимальна. При заборе горячей воды (до 70 °С) из н системы управления защиты АЭС эти машины могут непосредственно включаться в тепловую сеть. Кроме того, они могут использоваться и как тепловые насосы, т. е. переключаться с выработки холода на выработку дополнительного тепла, что дает возможность использовать холодильное оборудование не 5-6 месяцев, а в течение всего года.
6. Предприятия по переработке продукции. При проектировании ЭБК необходимо уделять должное внимание и вопросам переработки производимой в нем продукции. Любой продукт, даже, казалось бы, дефицитный на первых порах, например свежая рыба, быстро приедается. Поэтому необходимы различные виды ее обработки (например копчение), чтобы потребитель охотно и часто ее покупал. То же самое можно сказать о продукции тепличного производства, для части которой необходимо быстрое замораживание (зеленый горошек, зеленые приправы, перцы) либо другие способы переработки.
Создание крупных ЭБК при мощных АЭС и ТЭС, перспектива создания крупных энергетических центров — все это делает весьма актуальной проблему, на которую давно уже обращают внимание российские ученые: необходимость создания единых, неразрывно-технологических процессов производства сырья и его переработки в одном месте, с использованием всей биологической массы сырья, а не только его отдельной части [5]. В этой связи необходимо проведение научных исследований, которые позволят осуществлять, применяя энергосберегающие технологии, не только производство сырья, но и его переработку.
Литература
1. Комплексный анализ эффективности технических решений в энергетике. Л.: Энергоатомиздат, 1982. 173 с.
2. Экономическая эффективность утилизации теплых вод энергетических объектов // Труды института Гидропроект. 1985. Вып. 101. С. 85-89.
3. Косолапов Л. А. Экономика водообеспечения энергокомплексов. СПб.: СПбГАСУ, 2002. 209 с.
4. Косолапов Л. А. Сравнительный анализ и выбор оптимальных инновационных решений по утилизации тепловых отходов энергоустановок в структурах энергобиологического комплекса // Экономика и управление. 2012. № 3 (77). С. 125-128.
5. Рева Б. А., Сафрошкин Ю. В., Фарберов В. Г. Энер-гобиоград — экономически, социально и экологически гармоничный город будущего на базе энергобиологического производственного цикла. Пущино: НЦБИ, 1988. 19 с.
